任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：采集關鍵電力設備接電的實時溫度，克服有線溫度監(jiān)測系統(tǒng)存在的諸如線路多，布線復雜，維護困難等不足，將無線無源傳感器與Zigbee無線通信技術相結合，將物聯(lián)網(wǎng)技術及移動互聯(lián)網(wǎng)云端與電力自動化 技術相結合，云邊協(xié)同，實現(xiàn)智能化無線測溫系統(tǒng)方案。無線測溫系統(tǒng)具有結構簡單可靠，擴展性好，布點靈活等特點,可以結合行業(yè)深層需求及其他技術，進一步在電廠推廣應用。

關鍵詞：無線測溫；Zigbee；物聯(lián)網(wǎng)；云端；無線無源傳感器

0引言

發(fā)電行業(yè)是個龐大復雜的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，大量使用中低壓開關柜、高壓電動機、變壓器等電氣設備，對自動化程度和連續(xù)生產(chǎn)的高要求，不僅對其供電可靠性要求越來越高，而且對發(fā)電行業(yè)系統(tǒng)內(nèi)關鍵的配電及高壓電動機設備的穩(wěn)定可靠性也提 出了更高的要求。電氣設備在長期運行過程中，電氣一次模塊觸點和連接等部位因老化或接觸電阻過大而發(fā)熱，進而導致接頭異常升溫甚至引發(fā)燃爆事故。電廠電氣設備安裝密集，電動機也都是各工藝段的關鍵設備，此類設備損壞及引起的事故可能會引發(fā)下游大范圍供電線路或重要用電設備突然 停電,造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失。

近年來，傳感器及物聯(lián)網(wǎng)技術，設備的在線監(jiān)測，及大數(shù)據(jù)分析等技術的快速發(fā)展，結合發(fā)電行業(yè)的特點及需求，新技術的研究與應用對解決此類問題提供了新的方案

1關鍵新技術的研究

針對上述提出的問題，結合溫度傳感器,Zig- bee 無線傳輸，云應用及大數(shù)據(jù)分析技術現(xiàn)狀，提出了多種新技術的解決方案，并結合實際需求提出應用方案。

1.1溫度傳感器選擇

傳統(tǒng)的測溫方法包括通過熱電偶、熱電阻、半導體溫度傳感器等測溫，溫度傳感器與測溫儀之間采用金屬導線傳輸溫度信號。由于溫度傳感器直接安裝于高壓接點、觸點上，其傳輸溫度信號的金屬導線的絕緣性能無法保證，同時，對于改造類項目，實施難度較大。目前無線測溫方法包括感應供電無線測溫、CT取電測溫、電池供電無線測溫方式及紅外在線測溫方式。各無線測溫技術性能比較如表1所示。

相比其他測溫方式，感應供電測溫具有測溫速度快，周期短,免維護，使用壽命長，故障率低等特點。

1.2無線傳輸技術選用

無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式，其中應用較為廣泛及具有較好發(fā)展前景的短距離無線通信標準有Zigbee,藍牙(Bluetooth)、無線寬帶(Wi-Fi)、超寬帶(UWB)和近場通信（NFC）。

其中，Zigbee技術是一種具有低速率、近距離、低功耗、低復雜度、通信可靠、網(wǎng)絡容量大等特點的無線通信技術。Zigbee協(xié)議由IEEE802.15.4任務小組與Zigbee聯(lián)盟共同制定，其PHY層和MAC層采用IEEE802.15.4協(xié)議標準，網(wǎng)絡層由Zigbee聯(lián)盟制定，應用層則允許根據(jù)用戶的應用需求進行開發(fā)。

Zigbee有三個工作頻段,本項目采用的無源測溫傳感器采用2.4 GHz頻段,該頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Kbps,其分為16個信道，目前為全球通用，且免申請免付費。在通信上，采用免沖突多載波信道接入(CSMA-CA)方式，有效避免了無線電載波間的沖突，并采用密鑰長度為128位的加密算法對數(shù)據(jù)進行加密，確保了通信數(shù)據(jù)的安全保密性。并且，Zigbee設備能耗低，發(fā)射輸出為0~3.6 dBm[3IoZigbee支持星形和網(wǎng)格對等兩種網(wǎng)絡拓撲結構。實際應用可將兩種拓撲結構結合，使用混合型網(wǎng)絡結構，簇樹狀網(wǎng)絡結構，其網(wǎng)絡示意圖如圖1所示。

簇樹狀網(wǎng)絡中，采用分布式地址分配方案來分配網(wǎng)絡地址,即為每一個父設備分配一個有限的網(wǎng)絡地址段，并由父設備分配給其自身。對于給定深度的節(jié)點,作為父設備所能分配的自區(qū)段地址數(shù)為Cskip(d),計算公式為

利用Cskip(d)作為偏移，向子設備分配網(wǎng)絡地址。父設備為它的第一個子簇頭設備分配一個比自己大1的地址，隨后分配給子簇頭設備的地址將以Cskip(d)為間隔，以此類推為所有的子簇頭分配地址。

1.3移動互聯(lián)網(wǎng)與云技術選用

傳統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控及運行一般以集中式或者分布式的SCADA系統(tǒng)應用為主，并在控制室內(nèi)由操作員及工程師使用。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)及智能手機的發(fā)展和應用，通過傳感器監(jiān)測到的關鍵設備的各種實時數(shù)據(jù)也可以通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h方云服務器，特別是對于區(qū)域廣，布線困難的區(qū)段,數(shù)據(jù)的獲取將會變得更加方便和容易。其二，傳輸?shù)皆品掌魃系臄?shù)據(jù)比起傳統(tǒng)專門的服務器存儲，成本更低，可靠性更高，供不同用戶使用更方便。其三，通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)皆品掌鞯臄?shù)據(jù)，可以通過智能手機的APP顯示出來,并通過不同的功能模塊定制

化實現(xiàn)。其四，根據(jù)不同用戶的需求和設備使用情況，可以對存儲的數(shù)據(jù)按照既定算法進行數(shù)據(jù)分析，及早通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，并給予用戶提示或者告警信息，減少及降低設備故障甚至事故的發(fā)生。

2具體應用方案

常見的兩臺60 MW或者100 MW機組的火電廠，一般使用數(shù)百臺中低壓開關柜及使用大量的輔機電動機，對開關柜及高壓電動機關鍵部位進行智能測溫改造。經(jīng)過技術對比,使用無線無源“溫度傳感器+Zigbee"溫度監(jiān)測系統(tǒng)，準確地采集關鍵設備及設備關鍵部位的溫度信號，通過智能網(wǎng)關，可以接入既有的光纖通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)共享，通過控制中心的無線測溫監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度信號的實時監(jiān)測，超溫部位及設備定位，超溫報警，保證關鍵設備壽命及生產(chǎn)連續(xù)性，減少及避免潛在事故的風險。并且，依靠云服務及邊緣系統(tǒng)的云邊協(xié)同，實現(xiàn)了測溫信號的移動運維，不僅可以通過智能手機監(jiān)測到關鍵設備的溫度信號，并能 在超溫時自動發(fā)出報警信號，及時推送到具體負責 人員的智能手機終端，實現(xiàn)高效的問題處理，較大地降低配電柜設備事故風險，保證供電可靠性、生產(chǎn)連續(xù)性及安全生產(chǎn)。初設應用方案的基本架構如圖2所示。

2.1無線無源“溫度傳感器+Zigbee"

經(jīng)過技術對比，選定Easergy TH110溫度傳感器,其主要性能參數(shù)如表2所示。

Easergy TH110自供電基于網(wǎng)絡電流，與測量點直接接觸可以確保高性能的、準確的溫度監(jiān)測。并且,TH110非常小巧不占用空間，便于安裝調(diào)試及后期維護。

TH110采用Zigbee節(jié)能型通信協(xié)議，Easergy TH110確保有可靠和強大的通信能力，可以用來創(chuàng)建共享的操作解決方案的圖片及在項目應用中的場景如圖3所示。

建議比較重要的工藝段相關配電室開關柜及高壓電動機都安裝TH110的溫度傳感器，包括各類水泵、風機、漿液循環(huán)泵、氧化風機等區(qū)間。

2.2測溫系統(tǒng)架構設計

由于測溫傳感器分布區(qū)域廣，數(shù)量多，測溫系統(tǒng)架構采用以太網(wǎng)作為主要架構，并可使用既有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡設備，節(jié)省成本及較大地降低施工難度。

——現(xiàn)場的各TH110溫度傳感器通過Zigbee協(xié)議無線傳輸?shù)綔囟冉邮昭b置。

——溫度接收裝置通過Modbus RTU通信協(xié)議將溫度信號傳輸?shù)礁鱾€現(xiàn)場的網(wǎng)關。網(wǎng)關將協(xié)議轉換為Modbus TCP規(guī)約，并經(jīng)現(xiàn)場的以太網(wǎng)交換機，通過光纖通道傳輸?shù)娇刂浦行牡墓ぷ髡局小?/p>

——現(xiàn)場的千里眼服務器也接入通信網(wǎng)絡，將各TH110的測溫數(shù)據(jù)上傳到云平臺，以供智能手機的千里眼APP使用。

2.3測溫監(jiān)測系統(tǒng)SCADA的設計

測溫監(jiān)測系統(tǒng)SCADA操作員工作站可以置于控制中心內(nèi)，通過既有網(wǎng)絡由現(xiàn)場測溫接收裝置上傳的溫度數(shù)據(jù)。監(jiān)測工作站可以通過簡潔明了的—次系統(tǒng)，清晰地顯示各監(jiān)測點的實時溫度數(shù)據(jù),及各個區(qū)間的具體架構。所有區(qū)間測溫傳感器的歷史數(shù)據(jù)都可以通過SCADA系統(tǒng)顯示出來，便于用戶與常規(guī)溫度數(shù)據(jù)相比較。當傳感器測溫數(shù)據(jù)高于設定的報警值，SCADA系統(tǒng)會發(fā)出報警指示給操作員，并可以定位到具體的設備及安裝部位， 方便工程師去現(xiàn)場進行查看及風險評估，消除潛在故障的風險。

2.4云平臺“千里眼"系統(tǒng)的應用

IOT由IT信息技術和OT運營技術深度融合，千里眼APP系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)QT技術的應用體現(xiàn)之一。圖4為千里眼APP在其他行業(yè)的應用截圖。

設計方案中，通過既有電力設備關鍵部位加裝測溫傳感器，獨立測溫SCADA系統(tǒng)及千里眼APP 云邊端協(xié)同應用，實現(xiàn)設備運行數(shù)據(jù)的進一步透明化,并提高系統(tǒng)管理水平。將電廠內(nèi)各安裝TH110溫度傳感器的開關柜、變壓器及高壓電動機關鍵部位的溫度數(shù)據(jù)進行處理，為配電設備運行狀態(tài)監(jiān) 視、運行維護作業(yè)管理和設備資產(chǎn)管理提供“互聯(lián)網(wǎng)+"靈活應用方案。而且，千里眼可以提供報警管理，可以根據(jù)嚴重程度區(qū)分不同等級的報警，并通過短信通知用戶，讓用戶在獲取報警信息，并可以通過手機APP確認和記錄報警事件，篩

選和導出報警信息，形成專門的報告，預防事故及故障的發(fā)生。除了智能手機端顯示溫度型號及提供報警之外，千里眼還可提供資產(chǎn)快查及工單派工的功能，提高用戶的運維效率及智能化程度。其他行業(yè)的試點應用，監(jiān)測到了數(shù)次設備的異常溫度信號，并且及時檢修維護，成功避免了重大事故的發(fā)生。

3安科瑞溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

電氣接點在線測溫裝置適用于高低壓開關柜內(nèi)電纜接頭、斷路器觸頭、刀閘開關、高壓電纜中間頭、干式變壓器、低壓大電流等設備的溫度監(jiān)測，防止在運行過程中因氧化、松動、灰塵等因素造成接點接觸 電阻過大而發(fā)熱成為安全隱患，提高設備安全保障，及時、持續(xù)、準確反映設備運行狀態(tài)，降低設備事故率。

Acrel-2000T無線測溫監(jiān)控系統(tǒng)通過RS 485總線或以太網(wǎng)與間隔層的設備直接進行通訊，系統(tǒng)設計遵循國際標準Modbus-RTU、Modbus-TCP等傳輸規(guī)約，安全性、可靠性和開放性都得到了較大地提高。該系統(tǒng)具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能，可以監(jiān)控無線測溫系統(tǒng)的設備運行狀況，實現(xiàn)快速報警響應，預防嚴重故障發(fā)生。

3.1應用場所

適合在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、鋼廠、化工、水泥、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院、機場、電廠、煤礦等廠礦企業(yè)、變配電所等電力設備的溫度監(jiān)測。

3.2系統(tǒng)結構

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

3.3系統(tǒng)功能

測溫系統(tǒng)主機Acrel-2000T安裝于值班監(jiān)控室，可以遠程監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)所有開關設備運行溫度狀態(tài)。系統(tǒng)具有以下主要功能：

3.3.1溫度顯示

顯示配電系統(tǒng)內(nèi)每個測溫點的實時值，也可實現(xiàn)電腦WEB/手機APP遠程查看數(shù)據(jù)。

3.3.2溫度曲線

查看每個測溫點的溫度趨勢曲線。

3.3.3運行報表

查詢及打印各測溫點時間的溫度數(shù)據(jù)。

3.3.4實時告警

系統(tǒng)能夠對各測溫點異常溫度發(fā)出告警。系統(tǒng)具有實時語音報警功能，能夠對所有事件發(fā)出語音告警，告警方式有彈窗、語音告警等，還可以短信/APP推送告警消息，及時提醒值班人員。

3.3.5歷史事件查詢

能夠溫度越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析等。

3.4系統(tǒng)硬件配置

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由設備層的溫度傳感器和溫度采集/顯示單元，通訊層的邊緣計算網(wǎng)關以及站控層的測溫系統(tǒng)主機組成，實現(xiàn)變配電系統(tǒng)關鍵電氣部位的溫度在線監(jiān)測。

4總結及應用

無線測溫系統(tǒng)在發(fā)電行業(yè)的應用方案，配套管理系統(tǒng)及千里眼APP提供溫度異常告警、實時設備溫度采集、周期性溫度監(jiān)測及報表、設備狀態(tài)評估等功能，能減少及避免因溫度導致的重大故障的發(fā)生。其次，隨著技術的發(fā)展，其他傳感器的應用，從不同角度獲得關鍵設備及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從而更客觀地進行設備及系統(tǒng)監(jiān)測，可以作為下步研究工作方向之一。而且，智能化、萬物互聯(lián)等新技術的應用， 會對運維人員的能力及習慣提出更高的要求，智能化系統(tǒng)需要進一步提高用戶的實際體驗，開發(fā)更多更貼近用戶的功能，比如資產(chǎn)管理，工單處理，故障排除等，得到更多的應用。

參考文獻

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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05.

作者簡介：任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。